基于BTS7960B车门控制模块的电动车窗的设计Word格式.doc

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16位微控制器XC164CS基于增强C166SV2结构，结合了RISC和CISC处理器的优点，并且通过MAC单元的DSP功能实现了强大的计算和控制能力。

XC164CS把功能强劲的CPU内核和一整套强大的外设单元集成于一块芯片上，使得连接变得非常有效和方便。

电动车窗采用两个半桥智能功率驱动芯片BTS7960B组合成一个H桥驱动，中央门锁、后视镜和加热器的驱动芯片分别采用TLE6208-3G、BTS7741G和BSP752R，车灯的驱动芯片采用BTS724。

这些器件已提供了完善的故障检测及保护功能，因而避免了采用过多的分立元件，大大减小了模块体积，并提高了模块的EMC（电磁兼容）特性。

车门控制模块的电路主要由以下几部分组成：

电源电路、电动车窗驱动电路、后视镜驱动电路、加热器驱动电路、中央门锁驱动电路、车灯驱动电路、CAN总线接口电路及按键接口电路等。

电动车窗的硬件设计

1电动车窗驱动电路及启动特性

本车窗控制系统通过智能功率芯片BTS7960驱动直流电机转动，BTS7960的接口电路如图2所示。

图中的引脚7960INH1、7960IN1、7960IS1、7960INH2、7960IN2和7960IS2分别连接到XC164CS的I/0口P9.4、P1L.4、P5.6、P9.5、P1L.5和P5.7。

图2BTS7960接口连线图

BTS7960是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。

P沟道高边开关省去了电荷泵的需求,因而减小了EMI。

集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。

BTS7960通态电阻典型值为16mΩ，驱动电流可达43A。

因此即使在北方寒冷的冬天，仍能保证车窗的安全启动。

如图3所示，两片BTS7960构成全桥驱动车窗上升或下降。

T1和T4导通时，车窗上升；

T2和T3导通时，车窗下降。

系统没有主动制动过程，车窗移好之后，上管触发信号停，通过该桥臂下管反并联二极管续流，直到电流为0A。

续流过程持续250ms，足以满足车窗电机大功率的需求。

为了避免车窗电机启动瞬间出现电流尖峰，通过对下桥臂开关管进行频率为20kHz的PWM信号控制，实现软启动功能。

2BTS7960故障检测特性

如图3所示，BTS7960的芯片内部为一个半桥。

INH引脚为高电平，使能BTS7960。

IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。

IN=1且INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；

IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。

SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。

IS引脚是电流检测输出引脚。

图3全桥驱动电路示意图

BTS7960的引脚IS具有电流检测功能。

正常模式下，从IS引脚流出的电流与流经高边MOS管的电流成正比，若RIS=1kΩ,则VIS=Iload/8.5；

在故障条件下，从IS引脚流出的电流等于IIS（lim）（约4.5mA）,最后的效果是IS为高电平。

如图4所示，图（a）为正常模式下IS引脚电流输出，图（b）为故障条件下IS引脚上的电流输出。

BTS7960短路故障实验的实验条件如下：

+12.45V电池电压，+5V电源供电，2.0m短路导线（R=0.2Ω），横截面积为0.75mm，连接1kΩ电阻和一个发光二极管。

VS与电池正极间导线长1.5m（R=0.15Ω）。

如图5所示，其中VIS是IS引脚对地的电压、VL是OUT引脚对地电压，IL为发生对地短路故障时，流过BTS7960的短路电流。

（a） 

（b）

图4BTS7960电流检测引脚IS的工作原理图

无论是先上电后短路还是先短路后上电，BTS7960都呈现出相同的保护特性，所以下文将只就其一进行讲述。

图5BTS7960的对地短路实验电路图

图6和图7分别为BTS7960先短路后上电短路实验波形图的前半部分和后半部分。

短路瞬间输出端电流迅速上升，在80μs的时间内，电流上升到峰值，可达62A左右。

此时，BTS7960检测出短路故障，关断MOS管，输出电流下降直至0A,紫色箭头所指部分有明显的关断，图中虚线所夹部分为MOS管的关断及维持关断的过程，整个过程持续时间约为80μs。

短路导通瞬间，OUT引脚输出电压为5V左右，这是短路导线与电池和地之间的总电阻的分压值；

MOS管关断期间，OUT引脚输出电压为0V。

在电流急剧下降的瞬间，短路导线上感应出微弱的反向电动势，所以OUT引脚输出电压会呈现出短时间负电压。

状态检测引脚IS在5V左右上下波动，其具有随短路电流上下波动的特点。

整个短路过程中，BTS7960周期性的关断MOS管，防止短路电流使芯片持续升温，导致芯片过热烧毁，从而有效地保护了芯片。

最后，BTS7960完全关断MOS管，短路电流缓降为0A，IS管脚在MOS管完全关断后约500μs由自身的冷却恢复至正常电平。

图2BTS7960短路实验波形图前半部分

图7BTS7960短路实验波形后半部分

电动车窗的软件设计

1驱动芯片BTS7960的软件设计

电动车窗部分，在硬件上通过BTS7960驱动直流电机转动，使窗上升或下降。

采用两片BTS7960B构成全桥工作。

BTS7960与微控制器的接口信号包括IN1、IN2、INH1和INH2；

IS1和IS2是电流检测信号。

车窗上升：

IN1=1，IN2=0，INH1/2=1；

车窗下降：

IN1=0，IN2=1，INH1/2=1。

整个驱动过程可分为软启动、满PWM输出、续流和停止四个阶段。

车窗升降过程通过对下桥臂开关管进行PWM控制实现软启动功能，PWM频率为20kHz，软启动持续200ms，在这一过程中，占空比逐渐增大，从0%增加到100%，分成10段，每段持续时间为20ms。

PWM信号是施加在下管所在桥臂的INH引脚上，该桥臂关断（INH=0）时电流通过上管的反并二极管续流。

经PWM信号实现软启动后，电动车窗启动时的电流波形如图8所示。

从图中可以看出，电流尖峰被有效抑制。

本系统没有主动制动过程，车窗移好之后，开关管还会工作大约250ms，这是续流过程，这期间，上管触发信号停，通过该桥臂下管反并联二极管续流（这时需继续给原来另一桥臂的下管触发信号，如正续流时：

IN1=1，INH1=0，IN2=0，INH2=1），直到电流为0。

但是如果出现过热，这种续流过程就不需要了。

电机堵转是不允许的，因为这样会出现过流。

BTS7960自身可以检测开关管的电流，通过2.2kΩ的采样电阻电流进行电流/电压转换，采样电压经过简单的RC滤波网络，经过一个保护电阻（未加入）送到AN0/AN1进行模数转换。

当检测到电流大于15A时，就可以判断出电机正处于堵转状态，此时微控制器停止触发电机（仍需续流），用户可以重新启动车窗。

车窗部分要检测的故障有上桥臂的两个开关管过热和负载开路。

检测方法一是通过BTS7960内置的温度检测功能来检测上管的过热，发生过热时器件自动关断所有输出电路，且IS引脚输出电平为高；

二是需要辅助晶体管检测开路，通过检测IS引脚电流值可以实现，需要微控制器提供CTRLWIN信号。

图8电动车窗软启动电流波形

2电动车窗主程序的软件设计

本电动车窗控制系统的软件控制是基于状态的转换。

通过比较系统状态与控制命令做出判断，确定出目前系统应该执行的动作。

程序中将电动车窗的运行状态做了如下划分：

WINDOW_OFF、WINDOW_UP_PWM、WINDOW_UP、WINDOW_UP_FREE、WINDOW_UP_STOP、WINDOW_DOWN_PWM、WINDOW_DOWN、WINDOW_DOWN_FREE和WINDOW_DOWN_STOP。

当电动车窗处于OFF状态，接收到上升或下降的命令，程序会使车窗先进入PWM渐增的状态，实现软启动。

当达到PWM满占空比时，车窗才转入UP或DOWN的状态。

若在PWM渐增状态或PWM满占空比运行时接收到要让电动车窗停下或要反方向转的命令，程序会让车窗进入续流状态。

续流完成，车窗进入STOP状态。

在任何状态下如果检测到开路或过压等故障，车窗会进入OFF状态。